纳米技术在工业设计中的应用

中国地质大学（武汉）

结课论文

题目纳米技术在工业设计中的应用

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指导教师

2015年12月

目录

摘要 (3)

第一章工业设计与材料的关系 (4)

第二章纳米技术及纳米材料的发展 (5)

第三章纳米材料在工业设计中的应用 (6)

结束语 (6)

参考文献 (7)

摘要：材料是一切工业设计的载体，工业设计与材料密不可分，优秀设计离不开适当的选材与合理的工艺。

形态、功能和材料是构成产品的三大要素，三者互为影响。新材料、新技术的出现以及创新性地运用材料对于产品发展产生过重要的影响。

而纳米技术和纳米材料的出现必将给工业设计注入新的活力。

关键词：工业设计、纳米技术、纳米材料、应用。

第一章工业设计与材料的关系

产品设计包括使用工艺，材料工艺，审美情趣，等三方面构成因素。

实用功能是首要的，它决定着产品造型的首要形式。

材料和工艺是保证产品造型付诸实现的物质技术条件，它是产品功能和艺术处理的具体体现。

产品造型的艺术处理，决定着形式的美观与否，表达了一定的思想感情和审美情趣。

这三个方面，存在着相互依存，相互作用的辩证统一关系，构成了不可分割的统一整体。不同的材料有不同的加工、成型方法。材料的工艺性是指材料适应各种工艺处理要求的能力。材料的工艺性包括成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。

古埃及的法老王座因使用者的身份不同，座椅靠背上满是贴金，光满四射。

里特维尔德设计的红蓝椅有由质木条和层压板构成，十三根木条相互垂直，强调抽象的感受和亮感，以完美和简洁的物质形态反应风格派运动的哲学。

“高技术风格”、“机器美学”的轰动作品是由英国建筑师皮阿诺和罗杰斯于1972年和1976年建成的蓬皮社艺术中心，它是一座具有未来主义风格的建筑，整个建筑有纵横的玻璃管道、硕大的玻璃墙体和错综的钢架构成。

诚如世界是由物质构成的一样，一切的工制品都是有一定的材料组成的。最早的材料是从古代的旧石器说起，当人们以石头撞击火花或钻木取火时，人与材料就有了互为关系，材料一方面成为造物的物质基础和构成物品的基本内容，另一方面也成为人们实现自己心中理想中介物，对象与人形成密切的联系。

工业设计的定义是：就批量生产的产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受而赋予材料、结构、形态、色彩、表面加工及装饰等新的品质和资格，叫做工业设计。

材料工艺与产品造型之间的关系是双向的。一是已知材料工艺求解产品造型特征，二是已知产品造型特征求解材料工艺的各种可能性。在产品造型的三要素中与工艺关系最密切，受工艺影响最大的是形态要素，质感要求次之，色彩要素在一般情况下与产品成型工艺无直接关系。一定程度上可以说人类的发展史就是材料的发展史，人类的设计史就是材料的使用史。大体来说，造型材料的发展经历了石器时代，陶器时代，青铜器时代，铁器时代，高分子材料时代以及材料复合时代，现代设计诞生于铁器时代以后。在现代社会中，已经由钢铁材料为住的局面向高分子材料、复合材料的局面过渡，出现了越来越多的人工合成材料和新材料，形成了一个规模宏大的互相渗透的材料体系。

21世纪新材料产品向着实现智能化、多功能化、环保、复合化、低成本化、长寿寿命及按用户进行订制的方向发展。

第二章：纳米技术及纳米材料的发展

纳米技术是指在0.1~100nm尺度空间内,研究电子、原子、分子的运动规律和特性,从而研究在纳米尺度范围内物质所具有的物化性质、功能及其应用的高新技术。其含义包括纳米材料设计、制造、测量、控制和产品。

纳米材料是近期发展起来的多功能材料, 纳米材料具有许多特殊功能和效应,将在工业和国防等领域中发挥巨大潜力,并将为人类社会带来巨大影响。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，其中存在很大的拓展空间，纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。

纳米材料有表面积效应，体积效应，量子尺寸效应，力学性能效应等诸多特性，这些特性决定了纳米材料的诸多用途。

纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域的一个重要的研究课题。它包括粉体、固体(含块体及薄膜)的制备。目前纳米材料的制备方法,以物料状态来分可归纳为固相法、液相法和气相法三大类。固相法中热分解法制备的产物易固结,需再次粉碎,成本较高;物理粉碎法及机械合金化法工艺简单、产量高,但制备过程中易引入杂质;气相法可制备出纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄而细的纳米微粒。20世纪80年代以来,开始采用不需要复杂仪器的液相法。例如,T S Ahmade等利用聚乙烯酸钠作为Pt离子的模板物,在室温下惰性气氛中用H2还原,制备出形状可控的Pt胶体粒子。目前纳米粉体材料的主要制备方法有:化学制备法;化学物理合成法;物理方法(包括蒸发冷凝法、激光聚集原子沉积法、非晶晶化法、机械球磨法、原子法等)。我国用这些方法已制造出纳米铜粉、纳米级金刚石微粉、纳米TiO2颗粒等。

常见的纳米固体材料的制备方法有沉积法、镶嵌法、电镀法、粉末冶金法等。已用这些方法制备出纳米颗粒铜膜、稀土化合物荧光材料Y2O3Eu、有机高分子材料复合纳米材料、YF3 璃氟化物荧光玻璃等。近期又出现了一些新的制备方法,如溶剂热合成法、氢电弧法等。

经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。

纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从历史的角度看：上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米技术对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。